基于质量流量计测定的溶解气对相含率测量的影响

韦红术，张俊斌，魏裕森，吴旬伟

（1.中海石油（中国）有限公司 深圳分公司，广东 深圳 518067；2.西安石油大学，西安 710065）

0 引言

油井的产出流体多为油气水三相流，其中伴生气的存在是难以对流量进行准确测量的主要因素[1]，其原因一是产出物中伴生气时有时无，二是含量不固定[2]，三是现有的涡街流量计等很难准确测量气液两相流的流量[3]，另外一些测量方法则受到气体含率的影响，如超声波流量计在含气率超过一定比例时就可能接收不到回波信号[4]。鉴于上述原因，目前在井口开展的流量测量多采用一种简易的旋流式气体分离装置，对分离气体后的油水混合流体，通过质量流量计进一步检测含油量和含水量。在这种测量方法中，旋流式气体分离装置不需要供电，仅依靠流体的动能通过多级旋流器实现气液分离，在结构参灵敏设计合理的情况下，证实了这种分离方法可以达到很好的分离效果；另外，质量流量计也有很高的测量精度，但由测量结果得到的含油率这一最终关心的重要被测量却有很大的误差，甚至超过10%。通过理论研究和试验验证，证实了这种测量误差产生的原因是由溶解气引起的，即少量的溶解气可以引起很大的测量误差。在此基础上，提出了一种改进的测量方法。

图1 流量测量系统示意图Fig.1 Flow measurement system schematic

1 气体分离效果

1.1 测量系统的结构

带有旋流式分离器和质量流量计的流量测量系统如图1 所示。该系统作为一个整体，串接在生产管线上，即测量系统的入口和出口分别与生产管线的来流和去流管线相连。被测的气液混合流体由来流管道-7 进入多级旋流分离器-2，分离后的气体由排气管-1 排出，油水混合流体经液体垫-3 进入液体排出管-4，并由质量流量计-5 测量混合液体的质量，对已知的油水密度可由质量计计直接得到油和水的体积含量和质量流量。测量过程完成后，被计量过的液体和分离后的气体在测量装置内部汇合，从测量系统的出口-6 排出并进入到生产管线的去流管道。测量系统中液体垫的作用是使液体的出口高于分离器的底部，使气体不易通过液体垫而进入到液体管道中。

表1 典型的气水两相流测量结果Table 1 Typical gas-water two-phase flow measurements

1.2 气水分离效果

为了验证气体的分离效果，分别对纯水和气水两种情况进行了测量。通过质量流量计测量流量，在纯水时质量流量测量出的水的密度为0.979g/ml。对气水两相流试验时，将图1 所示测量系统接入到图2 所示的试验流程中，试验时，考虑到气体相对于水的流量越大，气液分离难度也越大，也更难保证测量精度。为了加严考核，试验时采用的水流量为5.7lm3/d，加入的气体体积流量为水的90%，质量流量计输出的质量流量、体积流量、质量、体积、密度，见表1。表1 中密度误差是指加气前后流量计所测密度的相对误差。

对表1 给出的试验结果分析如下：

1）加气后，质量流量计给出的流量是不恒定的，其中质量流量的最大值是最小值的2.7 倍，说明在含气率较高的情况下，流体的流量是不稳定的。流量时大时小，类似于泡状流，这与纯水情况下的稳定流量有着明显的差异。这种差异体现了高含气率的特征，也充分说明了气体与液体是不可能完全均匀地混合到一起的。

2）在含气率为90%的情况下，相对于纯水情况而言，流体密度的平均测量误差为1.01%。这说明即使在气体流量很大情况下，分离系统仍然是比较好的，存在误差的原因认为是水中有一定的溶解度引起的，但这种溶解度对测量结影响不大。

2 油水混合流体中相比例测量

将水和购置的机械白油分别经电子秤称量后，注入到试验系统的搅拌罐内，其中含水率为60%，含油率为40%。在搅拌均匀的情况下，启动流体泵及测量系统进行试验，其中泵的排量为4.8m3/ d。由于这种试验不含气体，流体的流动非常稳定，多次试验结果的一致性也很好，表2 给出了一组典型的试验结果。

表2 油水两相流的实验数据Table 2 Experimental data on two phases of oil and water flow

表3 油气水测量结果Table 3 Measurement results of oil, gas and water

对表2 所示试验结果分析如下：

1）表2 中给出的流速是稳定的，且混合密度也是均匀的，这一现象体现了流体中不含气体时流体流动的稳定性，同时也说明油水两相流经过合理地搅拌后，混合是均匀的。

2）虽然瞬时含水率有一定误差，但一段时间内的平均含水率为60.17%，与60%的实际含水率非常接近。瞬时值波动的原因认为是油包水造成的局部混合不均匀所致。

3 油气水三相流的测量

前述油水混合液体试验的结果表明，如果气液分离效果较好，即气体能够被充分分离，采用质量流量计测量含水率或含油率是可行的。为此开展了油气水三相流的试验，结果见表3。表3 中汇总了加气与不加气的测量结果，以形成对比。试验用液体的体积仍然是含水率60%，含油率40%，加入的气体是液体体积流量的90%。

表3 中所述标定结果是指：对图1 所示测量系统测量后的流体，由电子称和计量管分别计量质量和体积而得到的结果。由于电子称的分辨率为10g，计量管的横截面积较小，由读取液面高度得出的体积误差也很小，所以认为这种标定结果是比较准确的。由表3 可知，不加气时，就质量和体积而言，标定的结果与质量流量计的结果非常接近，进一步证实了标定结果是准确的。

加气前后，质量流量计测量到的质量分别为：46.005kg和46.363kg；体积分别为49.116L 和50.262L，质量和体积的相对误差为：0.52%和0.67%，这说明不论加气与否，质量流量计测量的体积和质量与标定结果是基本相同的。但含油率则由加气前的39.2%变为加气后的49.4%，与40%的实际含油率产生了很大的误差。

需要说明的是：表3 所述加气后的体积是对取样流体静置一段时间后计量的，静置的原因是流体中有大量的溶解气，目测就可到气泡逸出。静置后溶解气将逐步逸出，假定质量流量计的计量结果是准确的，则逸出的气体为：

气体逸出量＝流量计体积-取样体积＝50.26-48.15 ＝2.11（L）。

事实上，在常温常压下，白油对气体的体积溶解度可达5.6%，上述体积的变化量在溶解度范围内并小于理论上的溶解度。这就说明：溶解气的存在并不会引起体积的明显变化，但会对相含率产生很大的误差。

由第二次加气后的结果再次说明了相同的现象，但得到的含油率误差更大，其原因是静置时间相对较短，气体逸出量更少。

4 溶解气引起相含率误差的验证

由取出的样品计算相含率时，可认为样品中的大部分气体已经逸出。设油水两相流中体积、质量、相含率分别为V、m、α，并用下标O 和W 分别表示油和水，不带下标的V 和m 分别表示总体积和总质量，则有：

其中，αo和αw为体积比。

上式中油和水的密度均为已知量且恒定，只有混合密度为变量，以表中质量流量计的测量结果为例，由质量和体积之比可分别计算出加气和不加气的混合密度为：

如果取水的试验温度下的实际密度0.99 代入式（8），可得加气和不加气的含油率为：

上述计算结果与流量计的测量结果符合地很好，通过以上计算可知，在加气与不加气的情况下，虽然混合密度相差仅0.014kg/L，但是含油率却相差10.5%。由此可见，少量的溶解气对含油率的测量产生很大的误差。如果以标定的混合密度计算，则含油率相差3.5%，其原因是因为取样并静置后已有气体逸出。

5 结束语

1）质量流量计对油水两相流的相比例测量有很高的准确度。

2）多级旋流式分离器对气体有很好的分离效果，但无法消除油中的溶解气。

3）气体分离后，溶解在油品中的气体即使很少，采用质量流量测量到的相比例仍然会产生很大的误差。